JPH03117574A - マスター・スレーブロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マスター・スレーブロボット、すなわち主従
関係を有する複数のロボットの制御方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、テレイブジスタンス（Ｔｅｌｅ−ｅｘｉｓｔｅ
ｎｃｅ）では、遠く離れた所に存在するオペレータがま
るで作業を行っている場所にいるかのような錯覚をオペ
レータに持たせて臨場感を出すが、それは単に作業環境
での反応をそのままオペレータに伝えれば良いというわ
けではない。なぜなら、ロボットのアームと人間の腕の
サイズ、出力や、作業環境と操作環境の動特性が一般に
異なっているからである。また、作業環境によっては作
業の支障となる動特性を有したり、逆に作業に必要な動
特性が欠落している場合があり得る。以上のことから、
使いやすく臨場感のあるマスター・スレーブ・システム
を得るには、オペレータの作業能力をスレーブマニビニ
レークの能力へと拡張し、さらに作業環境での見掛は上
の操作感を任意に設定できるようにすることが必要であ
る。

すなわち、環境の同定、制御といった作業が不可欠であ
る。

このようなテレイブジスタンスに基づくマスク−・スレ
ーブ方式としては、従来、館、榊「第６回日本ロボット
学会学術講演会（１９８８）　Ｊにおいて提案されたも
のがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来のマスター・スレーブには対称型、力逆
送型、力帰還型があるが、対称型はマスターとスレーブ
の動特性も反力に加わり力逆送型はマスターの動特性が
かかる。力帰還型は力帰還ゲインが十分大きいと両アー
ムの動特性を打ち消すことができるが、そのゲインを大
きくとることは実際には難しい。また、いずれの方法も
アームの動特性を可変にすることは考えられない。

マスター・スレーブの機械的インピーダンスを可変にす
ることは有効な手法であり、「福田：第２５回ＳＩＣ：
Ｅ学術講演会（１９８６）　Ｊの適応力制御方式による
方法、「書出ら：　Ｓ　ＩＣＥ論文集、　ＶＯＷ。

２４、　Ｎｏ、　２．　ｐｐ、　１７６−１８２（１９
Ｈ）　Ｊの仮想内部モデル追従制御がある。一方、「吉
川ら：第６回日本ロボット学会学術講演会（１９８８）
　Ｊによる操作感のテレイブジスタンスの定式化と動的
制御、「藤井ら：第６回日本ロボット学会学術講演会（
１９８８）　Ｊのモデル規範型適応制御などの制御手法
が提案された。

さらに、作業によって種々の臨場感を与える手法につい
ては、前掲の「館、榊：第６回日本ロボット学会学術講
演会（１９８８）　Ｊの環境とアームの動特性を制御す
ることで種々の臨場感を与える手法が提案されている。

また、宇宙空間のように伝送遅れがある場合について、
「神徳・谷江：第６回日本ロボット学金学術講演会（１
９８８）　Ｊの視覚フィードバックを用いたパイラテラ
ル系が提案されているが、マスター側の環境モデルの作
成を必要としている。

本発明は以上の背景を踏まえてなされたものであり、イ
ンピーダンス制御を応用したマスター・スレーブ・シス
テムを提案することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明のマスター・スレーブ
ロボットの制御方法は、マスターアームのをする質量、
粘性、剛性に代表される操作環境モデルと、スレーブア
ームの有する質量、粘性。

剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータを介し
相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動特性を
一致させることを特徴とする。

この方法において、前記操作環境モデルと作業環境モデ
ルのコミニュケーションを時間遅れを持たせてやりとり
することにより、オペレータに伝送遅れなく反力を返す
ことができる。

〔作用〕

インピーダンス制御型マスター・スレーブ書システムは
、各アームをインピーダンス制御し、両アームの見掛け
の動特性を一致させ、場合によってその動特性を可変と
する４とにより、臨場感をもたせることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

第１図は本発明に係るマスター・スレーブシステムの概
念図を示すものであり、制御手法を以下に示す。簡単の
ため、−次元の場合を考えると、マスター側の状態式と
制御式は、 ｆｏ＝ＭｏＸ、＋Ｂｏ文、＋　ｋｏＸａ＋　ｆ　＋　　
・””・・（１）ｆ　ｌ＝　Ｃ＋　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　・・・・・・・（２）スレーブ側の
状態式と制御式および対象物の状態式は、 ｆ　ｚ　＝　Ｍｅ父、十８０大、　＋　ｋｏ　ｘｓ　＋
　ｔ、　−・−・−−−（ａ）ｆ　＊　＝　Ｃ２・・・
・・・・（４）ｆ、＝Ｍ又、＋Ｂ）＜、十に−δＸ、・
・・・・・・（５）但し、（Ｍｅ、　Ｂａ、　ｋｏ）は
アームの目標インピーダンス、（Ｍ、　　Ｂ、　　ｋ）
　　は対象物のインピーダンス、ｆｏは操作力、ｆｌ、
ｆｌ　はそれぞれマスターとスレーブの内部トルク、ｆ
、はスレーブアームへの反力、Ｘ、、Ｘ、はそれぞれマ
スターとスレーブの位置を表す。

制御手法は、アーム間で伝送する情報により４つに分類
される。マスクの操作力、スレーブへ反力を伝送する双
方内力情報伝送方式（Ｄ−Ｆと略）は、マスターの操作
力をスレーブの内部トルク、スレーブの得る反力をマス
ターの内部トルクとして出力する。

（２）、（４）式で、 Ｃ＋＝　　ｆ−・・・・・・・（６） Ｃ，ヨｆ０　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・
・・（７）とすると操作力と反力との関係は、 ｒ、＝Ｍｏ父、＋　ＢｏＸ−＋　ｋｏＸ、＋　ｆ、””
・（８）となる。同様に、マスターから運動をスレーブ
から反力を伝送し、力逆送型・力帰還型の拡張である運
動−力情報伝達方式（Ｍ−Ｆと略）　では、Ｃ＋＝　　
ｆ−・・・・・・・（９） Ｃ２＝　Ｍ　。父、十Ｂｏ＊、＋ｋｏＸ、　　　−・・
・・・（１０）ｆ　ｏ　＝　Ｍｏ父、　＋　Ｂｏ　Ｘ−
＋　ｋ　ｏ　Ｘ−十Ｍ父ｓ＋ＢＬ＋に−δｘＳ・・・・
・・・（１１）あるいはその逆のカー運動情報伝達方式
（Ｆ−Ｍと略）では、 ｃｌ＝ＭＯｘｓ＋５Ｏｘｓ＋ｋＯｘｌ　　　・・・−’
・　（１２）Ｃｚ＝ｆｏ　　　　　　　　　　　　　・
・・・・・・（１３）ｆ　ｏ　＝　（Ｍｏ父、＋　ＢＯ
′ｊｃっ＋　ｋａ　Ｘ−＋ＭＸ、＋ＢＸ、＋ｋ　・δＸ
、）　／２・−・・（１４）また、双方向とも運動情報
を伝達し対称型の拡張と言える双方向運動情報伝達方式
（Ｄ−Ｍと略）では、 Ｃ＋　＝Ｍｏ父、十Ｂ０文ｓ＋ｋ（＋Ｘｓ　　　−・・
−・・（１５）Ｃ＊＝Ｍｏ父、＋ＢｏＸａ＋ｋｏＸｍ　
　　−・・・・−・（１６）ｆ　ｏ　＝　Ｍｏ　６　＋
　Ｂｅ　６　＋　ｋｏ　ｅ。

ｅ　＝　Ｘ、　−Ｘ、　　　　　　　　　　　　　　”
”（１７）各アームのインピーダンス（Ｍｕ、　Ｂｏ、
　ｋａ）の設定は、例えば臨界制動での安定条件を考慮
すると、ＢＯ２−４Ｍｏ　ｋＯ＝　Ｏ。

σ＝Ｂ、バ２Ｍ０）　＞　０　　　　　　　・・・・・
・・（１８）したがって、σ＝Ｂｏバ２Ｍ０）＝５Ｇ５
Ｇより減衰度σをできるだけ大きくするような（Ｍ、、
　Ｂｏ。

ｋ、）の比が決まるが、マスターの操作性と反力の感度
を良くするためＭｅをできるだけ小さくとって（Ｍｏ、
　Ｂｅ、　ｋｎ）を決定する。

上述の制御手法は力センサを必ずしも必要とせず、対象
物の動特性を固定できるが、さらに固定した対象物の動
特性を用いて伝送遅れに対応できる。伝送遅しを−Ｘ　
、　（ｔ）　＝　Ｘ　−（ｔ−Ｌ）と表すとＤ−Ｍの（
１５）、　　（１６）式から、 ＣＩ＝（Ｍｌｌ’！−＋Ｂｌｌ大、十ｋｏＸ−）−（Ｍ
Ｘ、＋Ｂ大、＋ｋ　・δＸ、）　　・・・・・（１９）
Ｃ，＝（Ｍ、父−＋　Ｂ　ｏ　Ｘ　−＋　ｋ　ｏ　Ｘ　
＠　）＋（ＭＸ、＋Ｂ＊、＋ｋ・δＸ、）　　・・・・
・（２Ｇ）と改めると、スレーブはマスターに伝送連れ
時間後れて動作するが、オペレータへは伝送遅れなく反
力が返る。

ｆａ＝ＭＸ、＋ＢＸ、＋ｋ　−δＸ、　　　　−・−・
（２１）２軸のＤＤ（ダイレクトドライブ）ロボットを
水平方向の１軸マスターとして用い、スレーブは計算機
内でシミュレーションする。第２図に力帰還型（１）、
Ｄ−Ｆ（２）、Ｄ−Ｍ（３）、（滲でのマスター・スレ
ーブの位置（ａ）と操作力・反力（ハ）の時間履歴を示
す。Ｍｏ　を十分小さくとると、力帰還型よりＤ−Ｆの
方が位置・反力の追従性が良い。Ｄ−Ｍではマスターと
スレーブの位置誤差ｅで反力が与えられる（Ｄ−Ｍ（１
））が、対象物の同定を行うと位置・反力の追従性は良
くなる（Ｄ−Ｍ（２））。但し、アームと対象物の動特
性を次のように設定した。

Ｍｏ＝０．０５［ｋｇ］、　　Ｂｏ＝０．４［Ｎ／（ｍ
／ｓ）］。

ｋ　＝　＝０．９［Ｎ／ｍ］ Ｍ＝０．２［ｋａコ、　　　　　Ｂ　　＝０．０［Ｎ／
（ｍ／ｓ）］。

ｋ＝１０．Ｏ［Ｎ／ｍｌ また、同じ条件下で０．５［ＳｅＣ］の伝送遅れのある
場合では、（１９）、　　（２０）の制御式を用いれば
、第３図（ａ）、　　（ｂ）のように位置、力ともスレ
ーブはマスターに遅れて動作するが、マスターの位置と
力のデータの動きが一致していることから、オペレータ
への反力は遅れなく返ることが分かる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、次の効果を奏す
る ■　従来のパイラテラル系のマスター・スレーブをイン
ピーダンスという概念を用いて一般化し、システム動作
の物理的意味を明確にすることにより、マスターとスレ
ーブの対応付けをし易（した。

■　各アームのインピーダンス（慣性、粘性１弾性）を
制御することで各アームを加速度、速度、位置の点から
動的に制御できるので、オペレータが臨場感をもって操
作することができる。

■　対象物のインピーダンスモデルを作成し利用するこ
とで、伝送遅れの問題を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマスター・スレーブロボットシス
テムの概念図、第２・図は各方式におけるマスター・ス
レーブの位置と操作力・反力のタイムチャート、第３図
は伝送遅れを持つ場合の位置と操作力・反力の時間履歴
を示すタイムチャートである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マスターアームの有する質量、粘性、剛性に代表さ
   れる操作環境モデルと、スレーブアームの有する質量、
   粘性、剛性に代表される作業環境モデルをコンピュータ
   を介し相互にコミュニケートして両アームの見掛けの動
   特性を一致させることを特徴とするマスター・スレーブ
   ロボットの制御方法。 ２、前記操作環境モデルと作業環境モデルのコミニュケ
   ーションを時間遅れを持たせてやりとりすることを特徴
   とする請求項１記載のマスター・スレーブロボットの制
   御方法。